基于硅的湿法腐蚀特性仿真与制作微折射结构

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1课题背景及研究意义[1]随着MEMS（MicroElectro-MechanicalSystem）技术的飞速发展，微光学结构的制作技术也随之迅速发展。硅各向异性腐蚀技术，是MEMS技术的核心工艺之一，也是制作三维微光学结构的重要技术和加工手段，近年来在MEMS领域掀起了[2]对硅各向异性腐蚀技术研究的热潮，并且在各个应用领域都取得了较大的进展。目前，MEMS已经在工业、农业、信息、交通、国防、航空航天等方面展现了广阔的[3]应用前景。一般来说，MEMS的基本特征包括：微型化、以硅基为主、规模化、低成本、[4]集成化和多学科交叉等。硅各向异性腐

2、蚀技术完全符合上述特征。首先，此技术加工的微器件的精度一般可被控制在微米量级，尺寸小、重量轻，并且具有功耗低、响应时间短等特点；其次，此加工流程成本低廉、重复性好，一旦确定参数便可以大批量生产，并且具有生产周期短、一致性好等特点；最后，此技术加工的器件可[5]以方便的阵列化、集成化，并且有较高的稳定性。所以，通过对硅各向异性腐蚀技术的研究，对MEMS器件的制作具有重要意义。利用单晶硅的各向异性腐蚀的特性，可以在硅衬底的表面上制作多种复杂轮廓[6]的三维结构。但是，由于这些微结构通常是在微米、纳米尺度上，使得传统的加工过程难以控制，加工结果也不容易直观的进行观测，且传统的加工过程

3、较繁琐，需要反复的观察和修改，致使研发周期很长。另外，越来越复杂的微结构需求使得设[7]计难度也越来越高，对高效的计算和仿真的需求也越来越迫切。近年来，计算机技术发生了日新月异的发展，各学科纷纷与计算机相结合，取得了突破性的进展。对于硅各向异性腐蚀加工过程，同样可以以计算机为载体，开发一套系统，进行各种计算和仿真。对于这个工艺，最重要的是对流程中的各种计算过程、各种中间结果，以及最终结果的输出引入计算机技术来进行模拟，以此达到缩短开发周期、降低成本、实现批量化生产的目的。1华中科技大学硕士学位论文本课题就在这样的背景下，通过研究硅各向异性腐蚀的的机理，以及半导体技术的工艺流程，

4、然后结合计算机编程技术，对硅各向异性腐蚀过程进行模拟。通过对腐蚀时间、腐蚀溶液浓度和温度等条件的控制，可以模拟多种三维轮廓，并输出最终结果图。通过计算机技术的引入，可以达到对实验结果进行快速直观的模拟和观测，对腐蚀条件和参数进行快速的计算和输出，对多种复杂轮廓进行最优匹配的目的。较之传统的方法，这种开发流程不仅缩短了开发时间，降低了人力、物力成本，而且对结果的控制更加直观和精确。所以，计算机技术的引进，使得微光学结构的制作有了革命性的变化，这正是本课题研究的意义。1.2微光学结构制作技术的发展1.2.1微光学结构[8]微光学是一门由多门前沿学科交叉形成的新兴学科。随着微电子工业

5、技术相关研究的不断突破，微光学日渐成为一门国际上最前沿的学科之一。微光学结构，是指在面型精度上，可以达到微米亚微米尺度；在表面粗糙度[9]上，可以达到纳米量级的各种对称、非对称、球面、非球面的光学曲面结构。这些光学曲面可以分为回转非球面和非回转非球面。回转非球面有回转轴，例如凹透镜、抛物面、渐开面等。非回转非球面没有任何对称轴，例如复杂波前曲面、Zernike像差方程曲面等。1.2.2微光学结构的应用微光学结构具有质量轻、体积小以及造价低廉等优点，并且与普通光学结构相比，它容易实现集成、阵列、成像以及波面转换等新功能，因此微光学结构日益成[10]为小型微电子系统制造中的关键元件

6、。如今，系统小型化已经成为一种趋势，微光学结构已经在几乎所有的应用工程领域中，无论是普通的工业领域，还是高精尖的国防科技领域，都展现出了广阔的应用前景。在军事应用方面，上世纪70年代以后，西方国家研制生产的军用光学系统，如各种变焦镜头、热成像装置、红外扫描装置、激光装置、微光夜视头盔和导弹引导2华中科技大学硕士学位论文[11]头等，都已经程度不同地应用了非球面光学器件。在民用领域，多种光电成像系统也都大量使用了自由非球面器件，例如飞机中的飞行信息显示系统，摄像机中的[12]取景装置和变焦镜头，医疗诊断中的内窥镜、间接眼底镜以及渐进镜等。1.2.3微光学结构的制作方法微光学结构的

7、应用需求越来越强烈，驱使了对其加工技术的研究进行更为广泛而深入的开展。目前，已经成熟的现代加工技术有很多，下面举例分别说明并指出存在的缺点。[13]1）光刻技术。由于受视场深度的局限，光刻技术仅适合加工二维结构和深宽比较小的三维结构。[14]2）刻蚀技术。一般所采用牺牲层的刻蚀技术，虽然对准三维加工可以基本实现，但是材料容易产生内应力，对最终的机械性能会产生很大的影响，并且这种技术所需的设备造价比较昂贵。3）LIGA技术。这种技术利用具有高准直度特性的X射线光源，通常要利用同步辐射加速器来产